電極在TFT玻璃生產中的應用

岳 凱，金良茂,2，張曉春，趙 雷，金 昊，高多軍

(1.蚌埠中光電科技有限公司，蚌埠 233030；2.中建材蚌埠玻璃工業設計研究院有限公司，蚌埠 233030)

TFT玻璃是無堿、高硅、高鋁的硼硅酸鹽玻璃，其主要組分為[1]：SiO258%～63%、Al2O314%～18%、B2O38%～11%、RO 10%～25%(RO為MgO、CaO、SrO、BaO等)。在熔化過程中，因堿金屬氧化物助熔會造成后期面板電路刻蝕時的短路，只能用堿土金屬氧化物替代，且SiO2、Al2O3含量高，TFT玻璃的熔化溫度高達1 600 ℃以上。

TFT玻璃對品質要求非常嚴苛，任何一百微米以上的內部缺陷(氣泡、結石)變形或較為嚴重的條紋都會影響顯示器的視覺效果，而窯爐的熔化效果好壞與玻璃內部缺陷、條紋有著關鍵性的影響。

1 TFT玻璃窯爐使用電極的原因與要求

玻璃成分決定了它的生產流程，也決定了窯爐結構與加熱系統的配置，TFT玻璃也不例外。

1.1 TFT玻璃窯爐電極使用分析

TFT玻璃熔化過程中，澄清、均化、冷卻通常在鉑金通道進行，預熔優良的玻璃液從窯爐底部進入鉑金通道精煉。選用傳統的火焰窯雖然能達到要求的熔化溫度，但會造成表層與底部、窯爐中部與兩側玻璃液溫度差異大，影響溫度的均勻性；此外，上部火焰加熱的過程中，硼會在表層大量揮發，影響玻璃成分的均勻性。玻璃液的溫度不均、成分不均，直接影響鉑金通道的澄清、均化、冷卻效果，導致玻璃內部缺陷、條紋不良。

如果選用全電熔窯，則無法滿足TFT玻璃的熔化溫度；退一步講，雖然全電熔可以避免硼揮發引起的玻璃成分不均，但會造成表層與底層玻璃液溫度的嚴重失衡，表層熔化不良的玻璃液隨液流進入鉑金通道，亦會影響澄清、均化、冷卻效果。

鑒于上述原因，同時考慮到節能降耗的要求，TFT玻璃窯爐主要采用上部全氧燃燒、底部電極加熱的火焰-電混合加熱模式。

1.2 TFT玻璃熔化對電極的要求

選取電極時，不僅要考慮到TFT玻璃熔化溫度高、高溫黏度大、導電性較差，而且要考慮電極及其侵蝕物不能污染玻璃和鉑金通道。因此，熔化TFT玻璃的電極需滿足以下要求[2]：

1)良好的耐熱性能

由于電極表面的電流密度較大，電極表面溫度一般比玻璃液溫度高200 ℃左右[3]，電極的熔點要高；同時，其蠕變性能、持久強度、疲勞性能要好，可在1 600 ℃以上的玻璃液長期沖刷下正常使用。

2)熱膨脹系數要低

電極的安裝方式主要有冷安裝和熱安裝兩種，其共同點是：電極投入使用時要與池底磚之間留有一定的間隙，一方面是保證熱膨脹過程中不會擠壓損壞，另一方面確保后期可以進行電極推進作業(鉑金電極除外)。因此，電極的熱膨脹系數要低。

3)抗熱震性要好

電極電流短時間發生較大變化時會造成電極表面溫度急劇變化，窯爐工藝變更時易出現冷熱玻璃液流的交替變換，因此電極要有較好的抗熱震性，避免熱沖擊引起的電極損壞。

4)良好的高溫導電性

電極的高溫電阻越小，其自身耗能越低，越有利于節能降耗。

另外，在供給玻璃液的電能相同的情況下，高溫電阻越小，電極表面電流密度會越小。如表1所示[4]，電流密度越大，電極的侵蝕速度越快。

5)良好的抗玻璃液侵蝕能力

表1 電流密度對電極侵蝕速率的影響

電極主要受到物理、化學兩方面的侵蝕：

(1)物理侵蝕。電極長期處于高溫玻璃液中會發生一定程度的溶解；另外，電極會受到玻璃液沖刷的橫向應力和粘滯流動作用，造成表層的不斷剝落，嚴重時會使電極變形、彎折。

(2)化學侵蝕。玻璃組分中的某些雜質在高溫下會與電極(或電極中的雜質)發生化學反應，玻璃液氣氛變化也會引起電極的氧化還原反應，這些均會造成電極侵蝕，因此應選擇合適的適用氣氛，如表2所示。

表2 電極適用氣氛

6)電極及其侵蝕物不能污染玻璃和鉑金通道TFT玻璃對內部缺陷、均勻性、透光率要求極高，電極及其侵蝕物不能造成氣泡、結石、條紋，也不能給玻璃著色，更不能與玻璃成分發生不良反應；此外，還原性的電極材料會造成鉑金通道的損傷。

2 TFT玻璃生產中的電極選擇

2.1 幾種熔制玻璃用電極

隨著電熔技術的發展，運用在玻璃熔制中的電極越來越多樣化。

1)鉑金電極

鉑金電極是在耐火材料外部包裹由高純鉑或鉑銠合金箔制成的電極。鉑熔點1 772 ℃，密度21.45 g/cm3，導電性、延展性和導熱性良好。鉑的化學性質不活潑，在空氣和潮濕環境中穩定，低于450 ℃加熱時，表面形成PtO2薄膜；在高溫下會與容易還原的重金屬(如鉛、錫、銻、砷、汞、銅等)形成合金。

鉑金電極通常使用高頻電源(一般為10 kHz)。使用中，鉑金電極容易出現的問題是：通電的鉑電極在與玻璃液的接觸界面處發生電化學反應，導致鉑金損耗；高溫下，鉑熔入玻璃液后析晶成為結石；高頻電源會增加電源線路損耗。

2)氧化錫電極

氧化錫電極的主要成分為二氧化錫。二氧化錫熔點1 630 ℃，密度為6.5 g/cm3。二氧化錫是一種優秀的導電材料，為了提高其導電性和穩定性，工業中常摻雜Sb、Ti、Fe等使用；抗熱震性好。

氧化錫電極不會對玻璃液造成污染，在玻璃窯爐中通常制成棒狀插入使用和塊狀堆疊使用，亦可根據用戶需要定制。有資料介紹[5]，英國Glassworks生產的ELR-X型氧化錫電極最高使用溫度可達1 750 ℃。

3)銅電極

銅電極由純銅原料加工而成。銅熔點1 083.4 ℃，密度8.92 g/cm3。銅延展性、導電性和導熱性好，電阻率低。

由于銅熔點較低，銅電極在使用中需要通水強制冷卻。使用中，銅電極容易出現的問題是：銅電極表層熔入玻璃液，進入鉑金通道后與鉑形成合金，從而破壞鉑金通道；銅電極被侵蝕后漏水，產生氣泡[6]。

4)鉬電極

鉬電極的主要成分是鉬，通過粉末冶金工藝制得。鉬熔點2 620 ℃，密度10.23 g/cm3，高溫強度高，導熱性能好，膨脹系數小，導電率大。鉬在氧化氣氛中，380 ℃開始氧化，600 ℃加速氧化，超過700 ℃迅速氧化。

國際通用的鉬電極成分含量在99.95%，密度大于10.15 g/cm3。為了提高鉬電極的使用性能，近年來研發出了氧化物摻雜強化材料：TZM和MoZrO2。TZM鉬電極是在鉬基材中摻入微量鈦和鋯，以提高鉬電極的高溫強度和抗侵蝕性；氧化鋯鉬電極(MoZrO2電極)是在鉬基材中摻入微量氧化鋯超細微粉，屬于彌散強化材料，可以提高鉬電極的高溫強度、降低高溫蠕變。

鉬電極在通電狀態下，和玻璃液的接觸界面處會發生電化學反應，導致鉬電極損耗。

5)石墨電極

石墨電極是以石油焦、瀝青焦為骨料，煤瀝青為黏結劑，經過原料煅燒、破碎磨粉、配料、混捏、成型、焙燒、浸漬、石墨化和機械加工而制成的一種耐高溫石墨質導電材料，稱為人造石墨電極(簡稱石墨電極)。石墨電極的優點是可以加工成多種形狀。

石墨電極的主要成分碳，在使用過程中與某些玻璃原料或其分解物有發生反應的可能性：

①高溫下，碳可能與SiO2、Al203、CaO反應[7]。

②高溫下，碳可能與碳酸鹽的分解產物CaO、CO2反應。

③更重要的是，碳能夠造成鉑金中毒，破壞鉑金通道。

2.2 TFT玻璃窯爐中電極的安裝、分布

電極的安裝、分布決定了窯爐內的電場分布，也決定了電極的使用效果，直接影響電極、窯爐的使用壽命[8]。電助熔技術在玻璃行業應用、發展的幾十年中，業界前輩在電極的安裝、分布方面總結了寶貴的經驗。

2.2.1 電極的安裝方式

電極的安裝方式主要有3種：頂部插入、側墻插入、底部插入。

1)頂插電極

頂插電極可以按需求在三維方向上自由調節，能夠更靈活、合理地分布能量，常用于全電熔窯，如圖1所示。

2)側壁電極

側壁電極能夠加熱窯爐橫截面上的玻璃液，有利于減小玻璃液橫向溫差、上下層溫差，常用于火焰-電混合加熱的小型窯爐，如圖2所示。

3)底插電極

底插電極可以在池底大面積排布，設計靈活，能夠對窯爐縱向能量分布進行靈活調整，也有利于減小玻璃液橫向溫差，常用于火焰-電混合加熱的大、中型窯爐，如圖3所示。

2.2.2 電極的分布方式

1)均勻分布：在窯爐內部均勻插入電極，使玻璃液受熱均勻，減小各區域溫度差，從而提高玻璃液的熔化效率和質量。

2)熔化區與熱點布置相結合

在熔化區或(和)熱點附近安裝電極，對該區域的玻璃液強化加熱，提高玻璃液的熔化效率。

3)矩陣式分布

電極在池底以矩陣的形式均勻分布，有效地對玻璃液整體加熱，形成與碹頂溫度梯度相對應溫度制度，提高玻璃液的熔化效率。

目前，主流的TFT玻璃成型方式主要為溢流法和浮法。與溢流法成型相匹配的窯爐為小型窯爐，采用均勻分布的側壁電極；與浮法成型相匹配的窯爐一般窯型較大，多采用矩陣式排列的底插電極。

2.3 電極在TFT玻璃生產中的選擇

在TFT玻璃生產中，由于銅電極、石墨電極存在的問題，很多生產線選用鉑金電極、氧化錫電極、鉬電極，并且根據窯爐及生產工藝選擇相匹配的電極。

1)溢流法窯爐

鉬電極多為棒狀，一般不作為側壁電極使用。因此，在溢流法生產TFT玻璃的窯爐中，電極可選用鉑金電極、氧化錫電極。

需要注意的是：鉑金電極曾在日本公司和國內少數公司使用過，國內現有的生產線中均使用的是氧化錫電極；另外，國內鉑金電極方面的設計、研發人員較為缺乏，不利于后期的維護。

2)浮法窯爐

TFT玻璃液的電阻率較高，使用高頻電源的鉑金電極運用于寬度較大的浮法窯爐中需要很高的電壓。有資料表明[9]，窯爐寬度大于3 m，電極的使用電壓將超過1 200 V，這對窯爐耐火材料和鋼構絕緣的要求非常高，稍有不慎就會擊穿，造成安全事故。此外，鉑屬于貴金屬，大規模使用鉑金電極的成本很高。

因此，在浮法生產TFT玻璃的窯爐中，一般不用鉑金電極，主要采用氧化錫電極、鉬電極。

需要注意的是：氧化錫電極作為底插電極使用時，對于電極本體而言，其浸入玻璃液的表面積遠大于側壁電極，侵蝕速度會非常快，在使用過程中要加強管控。

鉬電極適用于還原性氣氛或中性氣氛的玻璃液。TFT玻璃生產中存在使用氧化錫和硝酸鹽的情況，為避免鉬電極被氧化損耗，最好選用經過抗氧化處理的鉬電極。

3 電極在TFT玻璃生產中的使用

電極的使用方法是否正確，不僅影響電極的使用壽命，對窯爐的使用壽命也有直接影響。正確操作電極，需要注意以下幾點：

1)烤窯時的保護

氧化錫電極、鉑金電極的安裝，通常是在烤窯升溫前完成。為了避免烤窯過程中可能出現的還原性氣氛損傷電極，需要在電極表面涂抹抗還原的保護層。此外，烤窯過程中溫度要穩定，杜絕突然停火的事故，避免溫度波動太大導致氧化錫電極炸裂。

鉬電極在玻璃液達到一定深度時推入窯內，亦是出于保護電極的考慮。

2)電極的冷卻

氧化錫電極、鉬電極均有水冷套冷卻，在使用中要確保冷卻水的穩定供應，尤其是斷水后恢復的過程中切記冷卻水要緩慢開啟，一方面避免電極急冷炸裂，另一方面防止水冷套焊縫急冷開裂而漏水。

3)電極功率的調整

電極功率調整過程中，要避免電流的大幅變化，尤其是升高電流時。其原因在于，電極表面溫度高出玻璃液溫度200 ℃左右[3]，電流變化太大會加劇電極與玻璃液的溫差，容易造成電極炸裂。

4)電極的推進

氧化錫電極、鉬電極在使用中，會不斷被侵蝕損耗變短。功率恒定的情況下，測量到的玻璃液電阻會不斷變大。工藝人員要注意觀察玻璃液電阻變化，定期計算電極的損耗量，必要時進行電極推進作業，避免電極損耗過度。

如不推進電極，電極越來越短，會出現：

①對于側壁電極，電極會在池壁內部越縮越深，加劇電極周圍池壁的侵蝕；

②對于底插電極，浸入玻璃液的電極表面積越來越小，為達到設定功率，電極表面的電流密度越來越大，從而加劇電極侵蝕，嚴重時會燒蝕池底。

5)窯爐工藝制度的穩定

窯爐工藝制度穩定的情況下，玻璃液流是相對穩定的。當工藝制度改變時，玻璃液流在短時間內處于紊亂狀態，會加劇對電極的沖刷，電極侵蝕加快。

4 結 論

在TFT-LCD玻璃窯爐中，電極加熱從傳統的“電助熔”變成了“電主熔”，占有效加熱能量的60%～70%。合理選擇電極并正確使用，不僅能有效提高玻璃的熔化效率和品質，與窯爐的使用壽命也息息相關。